激光直写聚合物多图案碳化构筑电磁屏蔽材料的性能调控与机理研究

针对传统频率选择表面(FSS)制备工艺存在界面损耗的难题，研究人员采用激光直写技术实现树脂表面可控碳化，制备出方阻低至100 Ω/sq的晶态-非晶态碳复合结构。该材料在8.2-12.4 GHz频段使介电常数(ε'提升至25，ε''达18)和损耗角正切(tanδ≈0.8)显著增强，同时保持33.26 GPa的力学性能，为航空航天领域轻量化电磁屏蔽材料开发提供新思路。

　　

随着5G通信、物联网和无线技术的迅猛发展，环境中电磁辐射源呈现爆发式增长，电磁干扰(EMI)已成为影响精密电子设备性能的突出问题。在航空航天、医疗设备和卫星通信等敏感领域，传统电磁屏蔽材料面临重量大、频段调节困难等挑战。频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS)作为超材料的重要分支，能通过微结构设计实现对特定频段电磁波的精准调控，但其传统制备工艺如溅射/蒸发、蚀刻和喷墨印刷等存在界面失配、工艺复杂、基板损伤等固有缺陷。

针对这一技术瓶颈，西安电子科技大学的研究人员创新性地采用激光直写技术，在环氧树脂/玻璃纤维复合材料表面实现可控碳化，成功制备出兼具优异电磁屏蔽性能和机械稳定性的碳基复合材料。相关研究成果发表在《Surfaces and Interfaces》期刊上，为轻量化电磁屏蔽材料的开发开辟了新途径。

研究团队主要运用三项关键技术：通过AutoCAD设计方形、六边形和环形阵列图案；采用1064 nm纳秒激光器进行参数优化（功率21 W，速度50 mm/s，频率200 kHz，脉冲宽度350 ns）；利用矢量网络分析仪测试8.2-12.4 GHz(X波段)的电磁参数。

激光直写工艺与图案设计
通过系统调控激光参数，在树脂表面形成石墨微晶-非晶碳复合结构，方阻最低达100 Ω/sq。扫描电镜显示碳化区域呈现典型的多孔分层结构，X射线衍射证实存在(002)和(100)晶面特征峰，表明石墨微晶的成功生成。

电磁性能调控机制
方形阵列碳化使介电常数实部(ε')从5提升至25，虚部(ε'')从0增至18，损耗角正切(tanδ)由0.2提高到0.8。这种显著增强源于石墨微晶提供的导电损耗和非晶碳引发的界面极化损耗协同作用，在保持基板33.26 GPa弹性模量的同时实现宽带吸收。

机械性能稳定性
三点弯曲测试显示改性后材料应变保持284.49，与原始树脂/玻璃纤维板相当。截面显微分析证实碳化层与基体形成化学键合，避免了传统FSS工艺的界面剥离问题。

该研究建立了"能量密度-碳化形貌-多功能性能"的关联模型，证实激光直写技术可同步优化材料的导电损耗和界面极化损耗。相比传统金属基FSS，这种碳基复合材料不仅避免了真空环境和化学蚀刻的污染问题，其非接触加工特性还确保了基板完整性。在航空航天装备减重和5G设备电磁兼容设计方面展现出独特优势，尤其适用于需要承受极端环境的工程应用。研究提出的图案化碳化策略，为开发具有频率选择特性的智能电磁屏蔽材料提供了重要理论依据和技术支撑。